"Moliceiro" - um robot que segue uma linha - Concurso Micro-Rato

REVISTA DO DETUA, VOL. 2, Nº 1, JANEIRO 1997
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"Moliceiro" - um robot que segue uma linha
José António Vieira, Maria João Magalhães, Rosa Pasadas, Tiago Oliveira,
António Carvalho e Luís Almeida
Resumo - Este artigo descreve de forma sucinta o robot
"Moliceiro" que representou a Universidade de Aveiro no
"Championat du Monde de Robotique Mobile" que decorreu
de 13 a 19 de Maio de 1996 integrado no Festival de Ciência e
Tecnologia de La Ferté-Bernard, França.
Basicamente o robot teria que seguir uma linha com cerca
de 50m de comprimento ao longo de um percurso com
algumas dificuldades. A construção deste robot foi realizada
de forma "extra-curricular" pelos autores deste artigo e
decorreu de Janeiro a Maio desse ano.
Este trabalho baseou-se em sensores analógicos de infra-vermelhos, pequenos motores DC, controlo diferencial de
direcção, um controlador aproximadamente proporcional e
um mecanismo de selecção de cor. Desta forma construiu-se
um robot capaz de cumprir as especificações da prova
mantendo um custo extremamente baixo (inferior a
50.000$00 em materiais e componentes) e com uma grande
simplicidade mecânica e eléctrica.
Abstract - This paper presents a brief description of the
“Moliceiro” robot that represented the University of Aveiro
in the “Championat du Monde de Robotique Mobile” that
took place in La Ferté-Bernard, France, from the 13th to the
19th of May, 1996.
Basically, the robot had to follow a line on the floor, about
50m long, and overcome a few more difficulties. The
complete project design and implementation was carried out
as an extra-curricular activity by the authors of this paper
from January to May of that year.
The project was based on infra-red analog sensors, low-power DC motors, differential stearing control using a near-proportional controller and a color discrimination
mechanism. This way the robot was built with a very low cost
(below PTE 50.000 in raw materials and parts), with great
simplicity in its mechanics and electronics and still meeting
all the contest specifications.
I. AS REGRAS DO CONCURSO
De forma global as regras exigiam que o robot fosse
capaz de percorrer um determinado percurso sinalizado
por uma linha com cerca de 50m de comprimento. Esta
linha, com 5cm de largura, apresentava curvas com raio de
1m, cruzamentos, interrupções e frequentes mudanças de
cor, umas vezes branca sobre fundo preto, outras vezes
preta sobre fundo branco. Nas interrupções (cuja posição
só era conhecida na prova) o recomeço da linha era
sinalizado por um reflector colocado a 1m de altura.
Existia ainda um troço suplementar, separado da linha
principal, cujo início e fim era sinalizado por reflectores
tal como nas interrupções. Este troço poderia ser seguido
como alternativa ao troço paralelo no circuito principal.
No início o robot deveria ser capaz de começar a prova
ainda fora da linha e no final deveria ser capaz de se
imobilizar por si, numa zona limitada em redor do fim da
linha.
Ao longo do percurso estariam colocadas várias bolas de
bilhar, 5 vermelhas e uma negra, devendo as primeiras ser
recolhidas e transportadas até à zona de chegada e a negra
rejeitada.
A perda da linha (ou afastamento superior a 30cm)
implicaria a terminação antecipada da prova. Cada bola de
bilhar vermelha não recolhida, assim como a não rejeição
da bola negra acarretaria uma penalização. As penalizações traduziam-se em tempo a adicionar ao tempo de
prova.
F
I
Figura 1 - Percurso a seguir (I- início, F- final)
II. ESTRUTURA DO "MOLICEIRO"
A. Chassis
Dada a limitação temporal para a construção do robot
(cerca de 4 meses) e dada a impossibilidade prática de
recorrer a oficinas de serralharia devidamente equipadas
optou-se por construir todas as partes mecânicas da forma
mais simples e económica, recorrendo essencialmente a
chapas de alumínio de várias espessuras.
Deste modo, construiu-se um chassis artesanal com forma
rectangular, com uma elevação na parte frontal, para
deixar passar as bolas de bilhar, e com outra elevação
numa das chapas laterais para deixar sair as bolas
rejeitadas.
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B. Motricidade e direcção
D.2 Sensores de seguimento dos reflectores
Por simplicidade de construção e controlo optou-se por
utilizar para a tracção um par de servomecanismos de
radiomodelismo dos quais apenas se utilizava o motor e as
engrenagens de desmultiplicação. O controlo da
velocidade dos motores era então feito por PWM
directamente a partir de saídas digitais do microcontrolador. Esta solução tem a vantagem de permitir
obter uma extraordinária simplicidade mecânica (todos os
componentes mecânicos de tracção estão concentrados
dentro de uma pequena caixa plástica fechada) e ainda de
requerer uma potência muito baixa (inferior a 1W) com
correntes também reduzidas (100-200mA). Note-se que
apesar da baixa potência dos motores conseguiam-se obter
velocidades razoáveis (cerca de 0,3m/s).
A direcção era controlada de forma diferencial, i.e.,
controlando separadamente a velocidade de cada um dos
motores. Esta solução também é mecanicamente muito
simples e não acarreta nenhuma complicação adicional no
software de controlo.
Para além das duas rodas principais (~7cm diam.),
directamente inseridas nos eixos dos motores respectivos,
existiam ainda duas rodas "malucas" colocadas na traseira
do robot com a função de equilibrar a estrutura.
Uma vez que os reflectores se encontravam posicionados
a 1m do solo optou-se por colocar os respectivos sensores
a uma altura próxima mas ligeiramente mais baixa. Para
tal montou-se um mastro sobre o robot, sensivelmente a
meio comprimento deste, com cerca de 95cm de altura.
C. Recolha e transporte das bolas de bilhar
Para recolher, seleccionar, rejeitar e transportar as bolas
de bilhar optou-se, tal como anteriormente, por uma solução mecânica tão simples quanto possível. Desta forma, as
bolas entrariam passivamente no robot através de uma
abertura na parte frontal do chassis, eram orientadas por
guias até ao mecanismo de selecção e aí eram rejeitadas
(bola negra) ou recolhidas (bolas vermelhas).
A expulsão das bolas rejeitadas era feita através de uma
abertura lateral. Por seu lado o transporte das bolas
recolhidas era realizado num compartimento fechado,
interior ao chassis, sendo as bolas arrastadas com o robot.
E. Cablagem e conectores
Para facilidade de reparação certos componentes estavam
munidos de conectores que permitiam um rápido rearranjo
de entradas/saídas ou, se necessário, de troca do
componente em questão. Por exemplo, todas as ligações à
placa controladora eram feitas através de um conector
apropriado. Assim, a troca da placa controladora, se
necessária, poderia ser efectuada sem dificuldade. As
ligações dos vários sensores às entradas da ADC eram
também efectuadas por intermédio de conectores que
permitiam um rápido e fácil rearranjo das ligações no caso
de queimar uma entrada da ADC.
13 cm
Bola
preta
24
cm
Bolas
vermelhas
Bola de
bilhar
56,5 cm
95
cm
Figura 2 - A estrutura do Moliceiro
F. Exterior e decoração (o "Moliceiro")
D. Colocação dos sensores
D.1 Sensores de seguimento da linha
A orientação do robot sobre a linha era realizada com
uma barra de sensores que tinha cerca de 20cm de
comprimento e que estava orientada transversalmente ao
eixo do robot. Essa barra foi colocada à frente do robot,
por cima da entrada das bolas de bilhar, a uma distância de
13cm do eixo dos motores.
Nesta configuração as bolas ao entrar passariam sob os
sensores causando alguma perturbação no seguimento da
linha. Contudo, para a velocidade esperada e taxa de
amostragem/processamento conseguida (cerca de uma
amostra cada 2,3cm) essa perturbação seria controlável (o
que nem sempre veio a ocorrer!).
Por cima da estrutura atrás descrita foi colocado um
modelo de moliceiro, realizado com estrutura de arame e
papel reforçado com cola. A pintura, feita manualmente,
seguia a traça habitual neste tipo de embarcações. No
mastro foi também colocada uma vela.
III. O MECANISMO DE SELECÇÃO DE BOLAS DE BILHAR
Para seleccionar as bolas de bilhar de acordo com a
respectiva cor foi construído um mecanismo composto por
duas partes principais: por um lado, uma campânula para
segurar a bola no momento da aquisição da cor e que
rodaria sobre o próprio eixo da bola libertando-a para o
exterior caso fosse para rejeitar ou recolhendo-a num
compartimento interior; por outro lado, um iluminador da
bola apontado para o centro da campânula colectora
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montado em conjunto com um sensor de intensidade
luminosa e que permitiria determinar a cor da bola.
A campânula estava montada sobre o eixo de um motor
que a fazia girar para um lado ou para outro. O movimento
do motor era controlado por uma máquina de estados que
recebia inputs do sensor de cor e de 4 interruptores, dos
quais 3 funcionavam como fins-de-curso e 1 como
detector de bola no interior da campânula.
Quanto ao sensor de cor, baseado num conversor de
intensidade luminosa em tensão eléctrica (TSL250), foi
colocado no interior de um tubo revestido internamente
com papel de estanho para reduzir a respectiva
sensibilidade à orientação. Na boca desse tubo foi
colocado um pedaço de acrílico vermelho para efectuar
alguma filtragem cromática. Ao lado do tubo foram
colocados dois led's vermelhos de alto brilho (cerca de 1
candela cada) cuja função era iluminar a bola a
inspeccionar. A saída do sensor passava por um
discriminador de três zonas cujo resultado era "1" sempre
que a bola presente na campânula fosse vermelha.
Refira-se, ainda, que mantendo a filosofia de
simplicidade seguida desde o início da construção deste
robot optou-se por manter este mecanismo completamente
separado do programa de controlo do movimento.
iluminador
e sensor
saída
guia
compartimento
de transporte
campânula
receptora
movimento
do robot
pivot
Figura 3 - Selecção e recolha de bolas (vista de topo)
A selecção de cor não funcionava para todo o espectro de
cores pois baseava-se apenas no peso relativo da
componente vermelha. Contudo, este mecanismo permitia
discriminar com fiabilidade os tons de vermelho vivo das
seguintes cores: branco, amarelo claro, todos os azuis,
verdes, castanhos escuros e negro.
IV. OS SENSORES DE INFRA-VERMELHOS
Os sensores utilizados eram do tipo infra-vermelho com
desmodulação de uma portadora de 40KHz. São sensores
compactos, utilizados correntemente nos receptores dos
telecomandos das televisões e videos, que apresentam uma
boa imunidade à intensidade luminosa média do ambiente
e têm apenas uma saída digital já desmodulada. Contudo,
abrindo estes sensores era possível retirar o nível
analógico correspondente à intensidade recebida de infravermelhos modulados a 40KHz, bastando para tal soldar
um fio num extremo de um condensador que estava
montado na entrada do discriminador final.
Estas saídas analógicas possuiam uma gama dinâmica
pouco superior a 0,5V. No entanto, em prol da redução do
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número de componentes e consequentemente do consumo
de corrente, optou-se por ligar estas entradas directamente
à ADC de 8bits do microcontrolador. Após a digitalização
a excursão conseguida era de cerca de 25 níveis da ADC.
O condensador que vem de fábrica nestes sensores é
relativamente elevado provocando um atraso grande na
saída até estabilizar em torno do valor final (cerca de 150
a 200ms). Este atraso era demasiado para o seguimento da
linha com a velocidade pretendida pelo que tivemos de
alterar este condensador para outro com valor muito
inferior de modo a melhorar a velocidade da resposta sem,
contudo, aumentar a largura de banda para além do
estritamente necessário por questões de atenuação de
ruído. Conseguimos, assim, um atraso na resposta dos
sensores entre 1 a 2 ms.
Para fornecer a iluminação necessária para os sensores
utilizaram-se LEDs infra-vermelhos como emissores,
devidamente modulados a 40KHz, com 50% de duty-cycle.
V. O CONTROLO DO ROBOT
A. A placa controladora
A placa controladora utilizada foi a 68HC11EVBU da
Motorola. De fábrica esta placa traz apenas o controlador
68HC11 bem como um interface série para ligação a um
sistema de desenvolvimento baseado em PC. Possui ainda
uma zona de wrapping onde foram instalados 32 KB de
RAM bem como os drivers necessários para controlo dos
motores (L293 - 2 pontes H) e para modulação dos LEDs
de infravermelhos .
Das características do controlador 68HC11 destacamos
as seguintes:
• frequência de clock interna de 2MHz;
• ADC de 8 entradas às quais se ligavam directamente os
sensores de infravermelhos;
• Unidade de timer muito versátil usada para gerar as
ondas com informação PWM para controlo dos motores.
A programação era feita em 'C'. Um pequeno executivo
(sistema operativo mínimo) era carregado no controlador e
permitia a execução concorrente de programas usando um
interpretador. Este interpretador, embora tornasse o
código um pouco mais lento era muito prático e permitia a
edição “on-line” de valores de variáveis.
B. O seguimento da linha
B.1- Colocação dos sensores
Conforme referido na secção II-D.1, a orientação do
robot sobre a linha baseava-se na leitura de uma barra de
sensores colocada transversalmente ao eixo do robot e
com cerca de 18cm de largura. Esta barra era constituída
por 4 sensores de infra-vermelhos, regularmente espaçados de 6cm. Cada sensor estava emparelhado com um
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emissor de infra-vermelhos cuja função era iluminar o
chão que seria sempre branco e/ou preto. A leitura do
respectivo sensor seria máxima quando o chão fosse todo
branco e mínima quando fosse todo preto.
Para isolar as áreas "vistas" por cada sensor os 4 pares
sensor/emissor foram colocados cada um dentro de um
pedaço de tubo preto, de secção quadrada. Cada um destes
tubos tinha as dimensões necessárias, bem como estava
colocado à altura necessária, para que as áreas "vistas"
pelos dois sensores do meio fossem contíguas e as áreas
"vistas" pelos dois sensores dos extremos se sobrepusessem ligeiramente às áreas dos sensores do meio (ver
figura 4).
2 cm
O parâmetro K3 serve apenas para compensar algum erro
de alinhamento da barra de sensores (posição de erro 0).
Os parâmetros K1 e K2 eram utilizados com dois
propósitos, por um lado serviam para balancear o peso dos
sensores centrais relativamente aos laterais, por outro
serviam para uniformizar o comportamento da função
quando o robot se deslocava sobre a linha branca ou sobre
a preta (note-se que a intensidade média recebida pelos
sensores é diferente em ambos os casos).
A forma da função line_error era aproximadamente
linear numa zona central e saturada perto dos extremos
existindo um mínimo local nas transições. Fazendo em
ambas as cores K2 ~ K1*1.5 o mínimo local era bastante
atenuado (figura 5, curva a cheio).
6 cm
line_error
SL1
SL2
SL3
SL4
0
9
3
desvio da
linha (cm)
Figura 4 - Disposição dos sensores de linha
A forma da resposta de cada sensor (em tensão) ao fazer
passar a linha sob a respectiva àrea de "visão" era aproximadamente gaussiana.
B.2- A medição do erro
Neste caso, o afastamento do robot em relação à linha
constituia o erro que se pretendia minimizar. A medição
deste erro baseava-se nas leituras SLi (i=1..4) dos 4
sensores de infravermelhos atrás descritos (fig. 4). Estas
leituras eram equalizadas e normalizadas para compensar
pequenas diferenças de posição ou fabrico entre sensores,
obtendo-se os valores sensori conforme indicado na
expressão (1).
sensori =
SLi − SLi ,min
SLi ,max − SLi ,min
i = 1..4
(1)
Estes valores eram então combinados de forma
apropriada de modo a fornecerem uma medida do erro de
seguimento da linha (desvio medido sobre a barra de
sensores). Esta combinação, função line_error, era
basicamente construída a partir da diferença entre os
sensores do lado direito e os do lado esquerdo conforme a
expressão (2).
line _ error = K1 × [sensor2 − sensor3 ] +
+ K 2 × [sensor1 − sensor4 ] + K 3
desvio da
linha (cm)
Figura 5 - A função line_error
linha
-3
9
4
cm
8
cm
-9
0
-9
2,5
cm
(2)
Para anular completamente o mínimo local utilizámos um
catalogador fuzzy (fuzzificador) sobre a saída da função
line_error. Este permite efectuar alguma compensação na
forma da função jogando com a posição dos fuzzy sets
tendo-se obtido a curva a tracejado mostrada na figura 5.
Esta curva respresenta a relação entre o desvio da linha e o
parâmetro de erro efectivamente fornecido ao algorítmo de
controlo.
B.3- O algoritmo de controlo e o comportamento do robot
O controlo da trajectória do robot era feito agindo
directamente sobre a respectiva velocidade angular
(proporcional à diferença de velocidade das rodas direita e
esquerda, ∆V) mantendo fixa a velocidade linear média
(Vmed). Este controlo proporcional era efectuado de acordo
com a expressão (3), em que Vdir corresponde à
velocidade a aplicar à roda direita e Vesq à roda esquerda.
Vdir = Vmed + ∆V
Vesq = Vmed − ∆V
(3)
com
∆V = K 4 × fuzz (line _ error (...))
A malha de controlo global para seguimento da linha
encontra-se representada na figura 6.
+
Desvio
pretendido
(=0)
Desvio
relativo
-
Dinâmica
Controlo
(∆V=...) Velocidade do robot
das rodas
fuzz(...)
Trajectória
do robot
line_error(...)
Linha
Figura 6 - Malha de controlo para seguimento da linha
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Quanto ao comportamento sobre a linha o robot
apresentava frequentes oscilações com amplitude relativamente grande. Estas oscilações estavam relacionadas com
a massa do robot e respectivo momento de inércia que
provocavam um atraso no estabelecimento das velocidades
pretendidas (comportamento excessivamente integrador).
Este comportamento foi compensado com um avanço da
barra de sensores relativamente ao eixo dos motores
(13cm). Pode-se demonstrar que tal avanço tem um efeito
antecipativo de certo modo semelhante ao efeito de uma
componente
derivativa
adicionada
ao
controlo
proporcional.
B.4- As mudanças de cor da linha
As mudanças de cor da linha, umas vezes branca sobre
preto e outras preta sobre branco, constituíam uma
dificuldade acrescida para o respectivo seguimento. De
facto, facilmente se vê que um algorítmo que siga a linha
preta sobre fundo branco levará o robot a afastar-se da
linha quando esta se torna branca sobre fundo preto.
Repare-se que a função de medida do desvio sobre a linha,
line_error, inverte-se de uma situação para a outra,
resultando em valores grosso modo simétricos.
Assim, numa aproximação simplista poderemos dizer que
o sentido do controlo tem que ser invertido, i.e., se para
um dado desvio sobre a linha branca a saída do
controlador é x então, para o mesmo desvio sobre a linha
preta a saída deverá ser -x.
Contudo, a função line_error não fica exactamente
invertida de uma situação para a outra já que os níveis
médios de intensidade recebida pelos sensores são
bastante diferentes nos dois casos. Por esta razão torna-se
necessário usar parâmetros K1 e K2 diferentes em cada
situação para além de trocar o sinal da saída do
controlador.
A detecção da situação concreta em que o robot se
encontrava era conseguida com a utilização da função
line_colour (expressão 4) que permitia discrimar as 4
possíveis situações: fundo preto sem linha, fundo preto
com linha branca, fundo branco com linha preta e fundo
branco sem linha.
line _ colour = ( sensor1 + sensor4 ) +
+ 2 × ( sensor2 + sensor3 )
(4)
line_colour > A -- fundo branco, sem linha
A> line_colour >B -- fundo branco, linha preta
B> line_colour >C -- fundo preto, linha branca
C> line_colour -- fundo preto, sem linha
O factor 2 usado sobre as leituras dos sensores centrais
permitia melhorar a detecção da linha quando o robot se
encontrava correctamente alinhado.
Os níveis de decisão A, B e C eram relativamente fáceis
de ajustar já que os valores de line_colour se ajustavam
com facilidade às 4 classes referidas uma vez que
raramente assumiam valores perto das fronteiras. Refira-
se, ainda, que a saída desta função era passada por um
filtro de média (últimas 4 amostras) para reduzir a
influência de interferências esporádicas (e.g., quando o
robot passava por cima de uma bola ou quando passava
por um cruzamento).
C. O seguimento dos reflectores
C.1- Colocação dos sensores
O seguimento dos reflectores baseava-se na leitura de
dois sensores de infra-vermelhos montados no topo de um
mastro colocado aproximadamente a meio comprimento
do robot.
Pela forma como o percurso estava desenhado a vertical
de cada reflector só poderia estar apenas numa de 3
posições relativamente ao ponto de interrupção da linha: a
-45º e 1,4m (curva à direita), a 0º e aprox. 2m (em frente),
ou a +45º e 1,4m (curva à esquerda).
Assim, uma vez que os sensores apresentavam um
diagrama de captação suficientemente aberto (pelo menos
de +45º a -45º) orientámo-los um a +30º e e outro a -30º e
colocámos uma pequena vedação opaca na direcção dos
0º. Deste modo, era possível captar a reflexão a partir de
qualquer das 3 possíveis posições do reflector e obter uma
boa diferença entre as leituras de ambos (ver figura 7).
30º
SR1
SR3 SR2
sensores
IV
Farol
de LEDs
Figura 7 - Topo do mastro para seguimento dos
reflectores
Quanto aos emissores decidimos, neste caso, utilizar um
farol mais ou menos omnidireccional na faixa de interesse,
i.e., de -45º a +45º, constituído por 6 LEDs ligados em
série e igualmente modulados a 40khz e que iluminaría o
reflector qualquer que fosse a respectiva posição.
C.2-. Medição do erro e algorítmo de controlo
Neste caso, o erro a minimizar era o desvio do robot
relativamente ao reflector de forma a que o robot se
dirijisse a este. Com o fim de medir este erro construiu-se
uma função com as leituras dos dois sensores referidos
atrás, SR1 e SR2 a que se chamou reflect_error
(expressão 5). Esta função consta, basicamente, da
subtracção do sensor esquerdo ao direito. Note-se, apenas,
que o seguimento dos reflectores não era tão crítico
quanto o seguimento da linha e que o respectivo algorítmo
poderia ser mais “grosso”. Deste modo não se fez a
equalização e normalização das leituras destes sensores.
As leituras SR1 e SR2 eram directamente aplicadas na
função reflect_error.
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reflect _ error = K 5 + ( SR1 − SR2 )
(5)
A constante K5 era utilizada apenas para correcção do
ponto de erro zero.
Mais uma vez o algoritmo utilizado também era
simplesmente proporcional e tinha um desempenho
levemente sobreamortecido. Este comportamento era
muito conveniente pois permitia uma aproximação suave
ao recomeço da linha.
∆V = K 6 × reflect _ error (...)
(6)
D. A paragem no fim do percurso
Quando o percurso chegava ao fim a linha desaparecia e
o robot deveria ser capaz de se imobilizar por si próprio.
Esta acção era conseguida verificando se existia algum
reflector. Caso existisse então seria uma normal
interrupção de linha. Caso contrário seria o final do
percurso.
Para detectar a existência de reflectores nas três posições
possíveis testavam-se as leituras dos sensores contra um
nível de decisão apropriado. Este procedimento resultava
bem quando o reflector estava numa posição lateral
(+/-45º e 1,4m). No caso do reflector se encontrar na
posição central (0º e aprox. 2m) não era fiável detectá-lo
apenas com as leituras dos dois sensores SR1 e SR2 por
serem ambas muito baixas. Assim, adicionou-se um
terceiro sensor SR3 direccionado exactamente no
alinhamento do robot e que servia apenas para detectar a
presença de reflector na posição central.
E. Breve análise comportamental
O comportamento global do robot foi dividido em vários
comportamentos elementares distintos que seriam
activados como resposta a estímulos do exterior. Este
método obrigou, também, à realização de um árbitro que
teria de seleccionar qual o comportamento a desempenhar
num dado instante caso vários comportamentos estivessem
activos.
Cada comportamento era implementado com uma função
apropriada que poderia executar de forma concorrente
sobre o microcontrolador (o executivo utilizado permitia
multi-threading).
Os vários comportamentos elementares eram: seguir
linha branca, seguir linha preta, seguir reflector, parar no
final do percurso e recolher ou rejeitar as bolas de bilhar.
O árbitro tinha a seguinte estrutura:
1º sempre que encontra linha - determina cor e:
se linha branca - segue linha branca;
se linha preta - segue linha preta;
2º se não encontra linha mas encontra reflector seguir reflector;
3º se não encontra linha nem reflector - parar (final do
percurso);
4º sempre que encontra uma bola de bilhar - verificar
cor e rejeitá-la ou recolhê-la.
O 4º comportamento era completamente autónomo em
relação aos restantes e era desempenhado em simultâneo.
VI. PROBLEMAS ENCONTRADOS
Do ponto de vista do controlo, os principais problemas
encontrados tinham a ver com a afinação e desempenho do
algoritmo de seguimento da linha. De facto, dada a
frequência de amostragem, a potência dos motores e o
peso do robot, o controlo efectuado estava muito perto do
limite de estabililade. Bastava colocar a "capota" de
moliceiro sobre a estrutura para ser necessária completa
reafinação dos parâmetros de controlo e tornava-se
extremamente difícil evitar uma oscilação considerável
(comportamento demasiado integrador).
Adicionando ao problema as bolas de bilhar com cerca
de 200g cada, e dado que não se utilizou nenhum tipo de
algoritmo adaptativo, o comportamento do robot era
progressivamente mais oscilatório. De tal forma que ao
fim de recolher a terceira bola o robot normalmente perdia
a linha.
O problema causado pela recolha das bolas era majorado
pelo facto do compartimento onde as bolas eram
recolhidas estar a uma distância relativamente grande do
eixo dos motores. Assim, a massa das bolas possuía um
momento de inércia muito elevado dificultando os
movimentos de rotação para correcção da trajectória.
No seguimento do reflector, durante as interrupções de
pista, o algoritmo usado também necessitava de um pouco
mais afinação. Embora a aproximação ao reflector e,
consequentemente, ao reinício da linha fosse suave,
ligeiramente sobreamortecida, o facto é que, com alguma
frequência, o ângulo com que o robot detectava o
recomeço da linha era excessivo para a capacidade de
controlo do robot. Assim, era frequente o robot perder a
linha logo após a ter reencontrado.
Do ponto de vista de instrumentação seria vantajoso
melhorar a gama dinâmica dos sensores de infra-vermelhos bem como redesenhar a barra de sensores para
seguimento da linha por forma a que a função de medida
do erro (line_error) fosse linear numa gama mais ampla.
Em relação à parte mecânica muito haveria a ser feito em
especial no que diz respeito ao mecanismo de recolha das
bolas de bilhar que frequentemente provocava interferências consideráveis no seguimento da linha. O momento de
inércia e o peso do robot, por os respectivos valores serem
elevados para a potência dos motores utilizados, também
foi um factor perturbador muito importante.
No que diz respeito ao ambiente de execução de
programas o interpretador de C que era utilizado constituía
um factor de atraso suplementar que se adicionava à
tendência integradora do robot contribuíndo para a falta de
estabilidade no seguimento da linha.
VII. POSSÍVEIS EVOLUÇÕES
No sentido de resolver ou atenuar os problemas
encontrados seria interessante estudar melhor a
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problemática do seguimento de linhas por robots
autónomos com controlo diferencial da direcção e fazer
um modelo matemático deste robot para permitir a
realização de sessões intensivas de simulação.
Seria ainda interessante estudar a possibilidade de
utilização de um algoritmo adaptativo que fosse alterando
adequadamente os parâmetros de controlo à medida que as
bolas de bilhar fossem recolhidas.
O mecanismo de recolha das bolas necessita de ser
revisto por forma a transportar as bolas numa zona do
robot que cause o menor momento de inércia global,
relativamente ao eixo dos motores.
O algoritmo de seguimento dos reflectores carece de um
estudo mais aprofundado de modo a garantir que o robot
encontre o reinício da linha com um ângulo pequeno que
não crie problemas no reatar do seguimento do percurso.
A utilização de um ambiente de execução de programas
baseado num compilador em vez dum interpretador
permitirá uma execução mais rápida do ciclo de controlo e
poderá ajudar à estabilidade do robot sobre a linha. No
entanto, esta solução também leva à perda das facilidades
de consulta on-line de variáveis do programa que a versão
com interpretador permite.
AGRADECIMENTOS
A equipa que projectou e construiu este robot agradece
ao Prof. Keith Doty, que leccionou a disciplina de
Robótica Móvel no 2º semestre de 94/95 no âmbito do
Mestrado em Engenharia de Electrónica e Telecomunicações na Universidade de Aveiro, pelo seus
ensinamentos que estiveram na base de muitas das opções
feitas na construção do “Moliceiro”.
Gostariamos ainda agradecer à TELECEL o patrocínio
que permitiu a participação no campeonato de La FertéBernard, ao Departamento de Electrónica da Universidade
de Aveiro pelo apoio em componentes, equipamentos de
laboratório, oficinas e espaço que tornaram possível este
trabalho, à UNAVE pelo apoio nas questões administrativas relacionadas com a viagem, à AFUA pela disponibilização da carrinha para a nossa deslocação a França, e a
todos aqueles que contribuíram para o sucesso deste
projecto quer através de preciosas sugestões quer de apoio
moral e/ou material. Em particular agradecemos aos
nossos colegas Ernesto Martins e Fernando Nogueira pela
ajuda prestada na obtenção de determinados componentes
e ao Pedro Fonseca pela ajuda nos contactos com a
organização do campeonato e pelos valiosos comentários
na revisão deste artigo.
BIBLIOGRAFIA
Mobile Robots: inspiration to implementation, by J.L.Jones, A.M.
Flynn, Wellesley (Mass): A.K.Peters, 1993.
The 6.270 MIT Robot Builder’s Guide - MIT LEGO Robot Design
Competition, by Fred Martin, MIT Press, 1992.
Designing Autonomous Agents, edited by Patti Maes, MIT Press /
Elsevier, (3rd printing) 1994.
665
Notas da disciplina de Robótica Móvel leccionada no 2º semestre de
1995 no âmbito do Mestrado em Engenharia de Electrónica e
Telecomunicações.
Manuais da placa EVBU68HC11 e do microcontrolador 68HC11.
RESUMO DAS CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DO
"MOLICEIRO"
Dimensões: (sem “capota”) 56,5x24 cm
(com “capota”) 110x35 cm
altura (com mastro) 95 cm
Peso total: (sem “capota”) 1,8 Kg
(com “capota”) 2,3 Kg
Motricidade: 2 motores DC, 100mA e 3Kgm
(servomecanismos de radiomodelismo) com
rodas de 7cm diâmetro.
Alimentação: 12V DC, 1A (bateria NiCad 1,3Ah)
Velocidade linear máxima: 0,3 m/s
Direcção: diferencial
Processador: 68HC11 (68HC11EVBU-Motorola)
Sensores: (linha) 4 sensores IV analógicos
(reflectores) 3 sensores IV analógicos
Emissores IV: 4+6 MLED81, modulação a 40KHz
Selecção de cor das bolas: por intensidade de
vermelho reflectido (TSL250 + filtro cromático
+ discriminador de 3 zonas)
Captação, recolha e rejeição de bolas: passiva com
porta rotativa
Algoritmo de controlo: aprox. proporcional
Antecipação dos sensores da linha: 13 cm à frente
do eixo dos motores
Custo total (componentes): inferior a 50.000$00
Foto do Moliciero